El premio Nobel de pinza óptica descubre nuevas pistas sobre cómo funciona el universo

Uno podría pensar que la pinza óptica, un rayo láser enfocado que puede atrapar pequeñas partículas, ya es un sombrero viejo. Después de todo, la pinza fue inventada por Arthur Ashkin en 1970. Y recibió el Premio Nobel por este año, probablemente después de que sus principales implicaciones se hubieran dado cuenta durante el último medio siglo.

Sorprendentemente, esto está lejos de ser verdad. La pinza óptica está revelando nuevas capacidades mientras ayuda a los científicos a comprender la mecánica cuántica, la teoría que explica la naturaleza en términos de partículas subatómicas.

Esta teoría ha llevado a algunas conclusiones extrañas y contraintuitivas. Una de ellas es que la mecánica cuántica permite que un solo objeto exista en dos estados diferentes de realidad al mismo tiempo. Por ejemplo, la física cuántica permite que un cuerpo esté en dos lugares diferentes en el espacio simultáneamente, o muerto y vivo, como en el famoso experimento mental del gato de Schrödinger.

El nombre técnico de este fenómeno es superposición. Se han observado superposiciones para objetos diminutos como átomos individuales. Pero claramente, nunca vemos una superposición en nuestra vida cotidiana. Por ejemplo, no vemos una taza de café en dos lugares al mismo tiempo.

Para explicar esta observación, los físicos teóricos han sugerido que para los objetos grandes, incluso para las nanopartículas que contienen alrededor de mil millones de átomos, las superposiciones se colapsan rápidamente en una u otra de las dos posibilidades, debido a una ruptura de la mecánica cuántica estándar. Para objetos más grandes, la tasa de colapso es más rápida. Para el gato de Schrodinger, este colapso ("vivo" o "muerto") sería prácticamente instantáneo, explicando por qué nunca vemos la superposición de un gato en dos estados a la vez.

Hasta hace poco, estas "teorías del colapso", que requerirían modificaciones de la mecánica cuántica de los libros de texto, no podían probarse, ya que es difícil preparar un objeto grande en una superposición. Esto se debe a que los objetos más grandes interactúan más con su entorno que los átomos o las partículas subatómicas, lo que conduce a fugas en el calor que destruyen los estados cuánticos.

Como físicos, estamos interesados ​​en las teorías de colapso porque nos gustaría entender mejor la física cuántica, y específicamente porque hay indicaciones teóricas de que el colapso podría deberse a efectos gravitacionales. Sería emocionante encontrar una conexión entre la física cuántica y la gravedad, ya que toda la física se basa en estas dos teorías, y su descripción unificada, la llamada Teoría de Todo, es uno de los grandes objetivos de la ciencia moderna.

Introduzca la pinza óptica

Las pinzas ópticas aprovechan el hecho de que la luz puede ejercer presión sobre la materia. Aunque la presión de radiación incluso de un rayo láser intenso es bastante pequeña, Ashkin fue la primera persona en demostrar que era lo suficientemente grande como para soportar una nanopartícula, contrarrestando la gravedad y levitándola de manera efectiva.

En 2010, un grupo de investigadores se dio cuenta de que una nanopartícula sostenida por una pinza óptica estaba bien aislada de su entorno, ya que no estaba en contacto con ningún soporte material. Siguiendo estas ideas, varios grupos sugirieron formas de crear y observar superposiciones de una nanopartícula en dos ubicaciones espaciales distintas.

Un intrigante esquema propuesto por los grupos de Tongcang Li y Lu Ming Duan en 2013 involucró un cristal de nanodiamante en una pinza. La nanopartícula no se queda inmóvil dentro de la pinza. Más bien, oscila como un péndulo entre dos ubicaciones, con la fuerza de recuperación que proviene de la presión de radiación debida al láser. Además, este nanocristal de diamante contiene un átomo de nitrógeno contaminante, que se puede considerar como un imán pequeño, con un polo norte (N) y un polo sur (S).

La estrategia Li-Duan consistió en tres pasos. Primero, propusieron enfriar el movimiento de la nanopartícula a su estado fundamental cuántico. Este es el estado de energía más bajo que puede tener este tipo de partícula. Podríamos esperar que en este estado la partícula deje de moverse y no oscile en absoluto. Sin embargo, si eso sucediera, sabríamos dónde estaba la partícula (en el centro de la pinza), y qué tan rápido se movía (en absoluto). Pero el famoso principio de incertidumbre de Heisenberg de la física cuántica no permite el conocimiento perfecto simultáneo de la posición y la velocidad. Por lo tanto, incluso en su estado de energía más baja, la partícula se mueve un poco, lo suficiente para satisfacer las leyes de la mecánica cuántica.

En segundo lugar, el esquema de Li y Duan requería que el átomo de nitrógeno magnético se preparara en una superposición de su polo norte apuntando hacia arriba y hacia abajo.

Finalmente, se necesitó un campo magnético para vincular el átomo de nitrógeno al movimiento del cristal de diamante levitado. Esto transferiría la superposición magnética del átomo a la superposición de ubicación del nanocristal. Esta transferencia está habilitada por el hecho de que el átomo y la nanopartícula están enredados por el campo magnético. Ocurre de la misma manera que la superposición de la muestra radiactiva descompuesta y no descompuesta se convierte en la superposición del gato de Schrodinger en estados vivos y muertos.

Demostrando la teoría del colapso

Lo que dio origen a este trabajo teórico fue dos apasionantes desarrollos experimentales. Ya en 2012, los grupos de Lukas Novotny y Romain Quidant demostraron que era posible enfriar una nanopartícula levitada ópticamente a una centésima de grado por encima del cero absoluto (la temperatura más baja teóricamente posible) mediante la modulación de la intensidad de la pinza óptica. El efecto fue el mismo que el de reducir la velocidad de un niño en un columpio presionando en los momentos adecuados.

En 2016, los mismos investigadores pudieron enfriarse hasta diez mil grados por encima del cero absoluto. Alrededor de este tiempo, nuestros grupos publicaron un artículo que establece que la temperatura requerida para alcanzar el estado fundamental de una nanopartícula en tweezed era aproximadamente una millonésima parte de un grado por encima del cero absoluto. Este requisito es desafiante, pero al alcance de los experimentos en curso.

El segundo desarrollo emocionante fue la levitación experimental de un nanodiamante portador de defectos de nitrógeno en 2014 en el grupo de Nick Vamivakas. Usando un campo magnético, también pudieron lograr el acoplamiento físico del átomo de nitrógeno y el movimiento del cristal requerido por el tercer paso del esquema Li-Duan.

La carrera ahora está en camino para alcanzar el estado fundamental de manera que, de acuerdo con el plan Li-Duan, se pueda observar un objeto en dos ubicaciones colapsando en una sola entidad. Si las superposiciones se destruyen a la velocidad prevista por las teorías del colapso, la mecánica cuántica tal como la conocemos tendrá que ser revisada.

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation por Mishkat Bhattacharya y Nick Vamivakas. Lee el artículo original aquí.